安森美半导体针对充电电池的低成本CCR充电解决方案 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

L 一 企 业 与 产 品 惹 安纛奠半导体针对 充电电池的低成本 C R充电解决方案 安森关半导体供稿 对 于 手 机 、数码 相 机( D i g i t a l S t i l l C a m e r a ， D S C) 、 音乐播放器等便携设备 中常见的单节锂离子 电池等而言， 充电一直是一个颇有挑战性的问题， 因 为既要满足特定应用要求，又要确保安全和无故障 的充电操作。本文将讨论怎样将安森美半导体的恒 流稳流器 ( C C R) 用于可 充电电池的低成本充 电电 路 ， 为其提供了终止充电的简单控制器。 1 电池种类及充电技术选择 三种最常见的充 电电池分别是镍金属氢化物 ( N i MH) 、 镍镉 ( N i C a d) 和锂离子 ( L i i o n) 。 电池充 电速率用字母 “ c ” 表示 。 “ c ”定义了 1 0小时的电 池容量。例如， 一个额定值为 8 0 0 m A h ( 毫安时 ) 的 电池可以用 0 5 c充电， 因而使 电池完全充 电需要以 4 0 0 m A充电电流充电超过 2个小时。 图 1 是充电电 路的基本框图。 1 ) 镍氢和镍镉电池 镍氢电池的额定电压为 1 2 V 节 ， 应该用高达 图 1充电电路基本框图 1 5 1 6 V 节的电压充电。要决定何时中断充电， 有 几种不 同技 术可以采用 ， 其中包括 ： 峰值电压 检测 、 负 电压、 温度( d T d t ) 、 温度阂值和定时器。 对 于高端充电器这些技术都有可能组合用在一个充电 器 当中。 C C R充电器是一个峰值电压检测电路 ， 可在预 定峰值终止充电 ，为上述 电池的充电提供了一个合 适 的解决方案。 其预定峰值电压为 1 5 V 节 ， 可将电 池充电至约 9 7 的程度。 镍镉电池可以使用该电路 充 电。 其表现与镍氢电池非常相似 ， 所以这种方法很 合适。 2 ) 锂 离子 电池 对锂离子电池而言 ， 常用的充 电方法是在 0 5 C 到 1 c条 件下通 过涓 流充 电将 电池 充 电至 4 2 V 节。 在充 电过程中， 锂离子 电池 的温升应保持在低于 5 ， 较高的温升表明可能会引发 自燃 。涓充部分的 充电周期 电池温升最大 ， 最有可能 自燃。 由于这个问 题 ，高端充电可使用智能 I C ( 如安森美半导体 的 N C P 1 8 3 5 B) 来监视和控制锂离子电池的充电过程 。 2 恒流稳流器 ( C C R ) 充电电路设计 喜 本 文 讨 论 的 c c R 控 制 器 没 有 使 用 涓 流 充 电 ， 因 此消除了可能 自燃 的问题 ，让 电池处在一个安全工 作区有助于提高电池的使用寿命 。 不过 ， 不使用涓流 h n ， ， 、 ； ， 、 m 万方数据 万方数据 L 一 企 业 与 产品 以通过一个可调节 C C R和 或并联 C C R来调整 。 这个 演示板是专门为两个并联 C C R( Q 和 Q ) 设计 的 ( 可以并联连接两个 以上的 C C R， 以便能够达 到 你想要的任何电流 ) 。对于本文讨论的实验 ， C C R ( N S I 4 5 0 9 0 J D T 4 G) 可以在 9 O mA至 1 6 0 m A范围内 调整 。三个用于数据分析的电流分别是 9 0 、 1 8 0和 3 0 0 mA 5 ) 指示器 L E D 为 了表 明 电池正 在 充 电 ，组合 使用 了一 颗 C C R， Q 7 及一个 L E D。C C R为 L E D提供恒流。在没 有电池连接到充电器时， L E D也将 “ 导通”。当 L E D “ 关闭”时， 表明电池已完全充电。 6 ) 设置不 同的测试 电流 表 1 显示了决定充 电电流的不同电阻值和充电 【 l 】 国 集 成 电 路 Chi na I nt egr a t ed C i r cui t 终 止 电 压 。 同 时 在 1 8 0 m A 测 试 使 用 两 颗 N S I 4 5 0 9 0 J D T 4 G C C R及 阻值 为 1 0 n 的调节 电阻 R a d j 来提供 9 0 m A的电流输出。 7 ) 测试结果 C C R充 电电路是通过在 9 0 m A、 1 8 0 mA和 3 0 0 m A对锂离子电池和镍氢电池充电进行测试的。 表 2 是正在充电的电池监测到的关键电压 。表 3显示了 表 1用于测试的 电阻值 r yTY Pe h a 叼eCu m R Rh R_ R 啡 L i- I o n 9 omA 1 8I由 1 8I Q U l 刚8 omA 1 8I由 1 8I 由 U- | I g 3 0 0r n A 1 8岫 1 8I Q 5 OQ 5l0Q Ntg o mA 1 4 1 8 NN H 1 B 0mA 1 _ 4I由 1 8 H 3 0 0 mA 1 。 4I由 1 8 S OQ 5 OQ Q5i s n o tu 蜊， n o n ee df Ra 啦 表 2充电时的电压 Cmp 啪1 P NP oo e c 蛔r 日 r yT y p e o州、 p HP Co I e PN P Emll h E m e r P NPBd 钾 0i o d eF omra r d ， c h - 帕 C u r 悖n t 、 ， m岣e( v l 峨- g e l 、， l V o lt a g e C V o lt a g e( 、 ， ) 、 D I h U - I o t 9 0mA 1 O 1 8 1 2 1 2 3 1 21 4 1 O O 1 8 8 7 7 6 0 2 9 1 4 U- I 8 o mA 1 01 2 4 1 2 1 0 2 1 21 0 4 O 8 7 8 5 0 ，31 o 9 L 卜bn 3 0 0 mA 1 O O 8 1 2 O 圆 1 2 ， 0 8 O O 51 8 _ 7 4 5 03 2 4 7 N m伽m A 1 0 15 5 1 2 1 32 1 2 151 O O1 9 B7 B2 0 29 18 枷H 1 8 0mA 1 0 1 4 2 1 21 o 3 1 2 1 3 5 0 0 5 2 8 7 8 7 O 31 0 7 H3 0 0mA 1 0 1 1 2o I 5 1 2 0 9 4 a0 4 9 87 4 6 0 ， 2 6 3 表 3刚充完电电压即被终止 C n p _疆幻 P NP Co lkc lo r a| I I e 吖 p 0 ou t p 、 ) I l a g e P MP CO H e c O r P HP E mi t b e r E 嗣l e r D Id e F O M一 c h 岬C um l ( I ， l v o m e( v I t - g e( v 1 、 D It - g e C v 、 bI h口 e ， t H o n 9 0mA 0 2 2 3 1 3 B 1 1 2 1 6 7 1 O7 8 6 2 7 0 4 U - I o n l mA O 2 2 8 1 3 1 2 1 6 5 1 O 0 6 5 - 2 3 7 8 L j I o n t t OmA O 2 2 3 1 3 8 3 1 2 1 6 1 O 7 7 7 - 2 6 7 9 NiMH 1 8 0 mA O 2 2 3 1 3 7 1 2 1 6 5 ， D 7 9 5 3 0 2 S NiMI- V a o omA 0 2 2 3 1 8 5 1 2 1 6 1 0 8 1 - 2 9 0 6 表 4电池的温度 B a l t e T 1) e 8 bI tB 脚 k mu m Ba t t e r Clmn g eii t r y C h a me C u e , mr T e mp e e a t u r e - c I T e mp e r a tu r eC c ) T e r rq lr m r e ( c ) L i- l o n 0mA 2 5 O 2 6 O 1 0 U- I o n 8 0mA 2 5 O 2 7 7 27 U- I o n d O 0mA 2 5 O 2 B 4 3 4 N H舟0 mA 250 30 O 5 O 嗍H 1 B 0mA 2 5 0 2 7 9 2 9 N H O 0 0mA 2 50 2 8 1 31 l ， ，- ： 万方数据 【 l 】 国 集 成 电 路 C hi na I nt egr at ed C ir cui t 电路终止电池充电后相同的关键电压 。在测试过程 中， 电池的温度开始迅速升高 ( 见表 4) ， 测试结束 之前 ， 电池电压达到参考电压。 表 4包含了电池的温度数据。 在所有情况下 ， 环 境温度约为 2 5 。对于锂离子 电池 而言 ， 可以得 出 这样的结论 ：充电电流越大 ，电池温升就越高。在 0 1 C以上的速率充 电时 ， 镍氢电池 的情况相 同 ( 即 充电电流越大 ， 电池温升越高 ) 。重要 的是要记住 ， 在何时选择使用多大的充 电速率。 3 充 电电流 、 功耗及 电池 电压 1 ) 充 电电流 随时 间的变化 使用恒流稳 流器充 电时电流可保持不变 ，直到 充 电终止 ， 如图 5所示 。 r i 一 一j 一 一一 ： 一 一 一一 一 一 i b 口 nI 曲 f - I o m m O u ra t k t l min ) 图 5 充电电流 随时 间的变化 2 ) B J T和二极管 的功耗 如今， 人们都非常关心电路的功耗。 降低输入电 压是一种方式 ，为的是提高电路性能 。这是使用低 V 叫 晶体管的原因之一。晶体管的 V c E 非常低。图 6也描述 了随着 时间推移 P N P晶体 管所消耗 的功 率。正如人们所预期的，在充电电流增加时耗散功 率 ( P D) 也增加了。然而， 在约 3 0 0 m A的充电电流 下 ， 晶体管消耗的功率小于 1 5 m w。 除了使用低 V ) 的 B J T ， 还可使用一个封装 的低 正向压 降 ( V ) 肖特基二极管 DS N 2来 降低功 h+ I h； 一 企 业 与 产 品 耗。 该二极管用于反向电流保护。 选择安森美半导体 的 N S R1 0 F 4 0 N X T 5 G的原 因是它 有市 场上最低 的 V 。在最高充电电流下测得的二极管消耗功率大约 为 9 5 m w。图 7显示了电池正在充电时 D S N 2 低 V 肖特基势垒二极管的功耗。 使用低 V ) B J T和低 V 肖特基二极管输入 电压可降至尽可能最低。 n ， 口o m O nmel mIn 图 6 P N P晶体 管耗散功率随时 间的变化 图 7二极管耗散功率随时间的变化 3 ) C C R的功耗 功耗是使用 C C R时一个非常重要的参数。 它是 使所有电压下降以确保恒流电池充电的器件。当器 件开始升温时， 电流开始下降。为了尽量减少 C C R 温升 ， 板上大部分空位放置 了铜箔。然后 C C R的阴 极被连接到该区域的铜箔作为散热片。当使用多个 并联 C C R时 ， 要牢记各 C C R的功耗只是 C C R独立 瑚 一 l J o - 卫幡 置声 zI I o I d 蛐 m 瑚 m 一 哇三l u J 8 a I 1 皇 ， 口 万方数据 I 企 业 与 产 品 【 等 。 m i - ：一 0 I O L m 、 、 t 0 2w 娴 ! d a e 口 1t i m el n l 图8 C C R的耗散功率随时间的变化 电流乘以电压的值，而不是总充电电流值。图8 显 示 了随时间推移的 C C R消耗的功率 。当使用多个 C C R获取更高充电电流时，只显示了一个 C C R数 据。 4 ) 随时间推移的电池电压 图 9描述了所有六个测试用例的电池电压。对 于锂离子电池电压， 人们期望看到当电